Определение коэффициента трения скольжения

4

В. М. Зражевский

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

Цель работы: определить коэффициенты трения скольжения древесины и металла и сравнить их со справочными данными.

Оборудование: наклонная плоскость, брусок с поверхностями из разных материалов, электронный секундомер.

Краткие теоретические сведения

При соскальзывании бруска с наклонной плоскости (рис. 1) на него действует несколько сил: сила тяжести , сила нормальной реакции опоры и сила трения скольжения .

Рис. 1

Выберем направление координатной оси X вдоль плоскости вниз, а координатной оси Y перпендикулярно плоскости вверх. Запишем уравнение динамики поступательного движения бруска в проекциях на эти оси:

(1)

(2)

Учтём, что сила трения скольжения равна

(3)

где μ – коэффициент трения скольжения.

Решая систему уравнений (1), (2) и (3), получаем

(4)

Величину ускорения можно найти, измерив пройденный бруском путь s и соответствующее время t:

(5)

Формула получена при нулевом значении начальной скорости, что соответствует условиям опыта. Подставляя (5) в (4), получаем окончательную формулу для определения коэффициента трения скольжения:

(6)

Описание установки и метода измерений

Установка представляет собой наклонную плоскость 1, которую с помощью винта 2 можно устанавливать под разными углами α к горизонту (рис. 2). Угол α измеряется с помощью шкалы 3.

Рис. 2

На плоскость может быть помещен брусок 4 массой m.

Брусок имеет две поверхности скольжения из различных материалов (древесина, дюралюминий). Брусок закрепляется в верхней точке наклонной плоскости с помощью электромагнита 5, управление которым осуществляется с помощью электронного секундомера СЭ1. Пройденное бруском расстояние измеряется линейкой 6, закрепленной вдоль плоскости. Время соскальзывания бруска измеряется автоматически с помощью датчика 7, выключающего секундомер в момент касания бруском финишной точки.

Порядок выполнения работы

1. Ослабив винт 2 (рис. 2), установите плоскость под углом α = 25° к горизонту, электромагнит при этом должен находиться в верхней части плоскости. Закрепите плоскость в таком положении, зажав винт 2.

2. Включите электронный секундомер СЭ1. Убедитесь, что он находится в режиме № 1.

3. Поместите брусок на наклонную плоскость в положении деревом вниз. Прижмите торец бруска, на который наклеена металлическая пластина, к электромагниту. Убедитесь, что брусок удерживается в этом положении.

4. Нажмите кнопку «Пуск» секундомера. При этом происходит одновременное отключение электромагнита и включение секундомера. Выключение секундомера происходит автоматически в момент удара бруска по финишному датчику.

5. Запишите в табл. 1 время соскальзывания бруска t_i, пройденный бруском путь s, угол наклона α. Опыт повторить пять раз.

Таблица 1

Номер опыта	Время ti, c	(ti − <t>)2	Длина пути s, м	Угол наклона α, град	Коэффициент трения <μ>
1
2
3
4
5
t(a,n)	<t>	å(ti–<t>)2	Δs, м	Δα, рад	Δμ

6. Установить брусок в положение дюраль вниз. Повторить п. 3–5. Результаты записать в табл. 2, аналогичную табл. 1.

7. По формуле (6) вычислить среднее значение коэффициентов трения <μ>, подставляя в нее среднее значение времени <t>. Результаты записать в соответствующие таблицы.

8. Вычислить абсолютную погрешность измерения коэффициента трения по формуле Δμ = ε<μ>, где относительная погрешность ε равна:

(7)

Здесь абсолютная погрешность измерения угла Δα определяется в радианах.

9. Конечные результаты вычислений записать в виде

μ = <μ> Δμ.

Контрольные вопросы

1. Назовите виды сил в механике.

2. Объяснить физическую природу сил трения.

3. Почему при улучшении качества обработки сопряженных поверхностей возрастает тел сила трения скольжения?

4.

Какое трение называют сухим, какое вязким?

5. Что называется коэффициентом трения скольжения?; его размерность и физический смысл?

6. Какие факторы влияют на величину коэффициента трения скольжения?

7. Как зависят силы сухого и вязкого трения от скорости движения тел?

8. Какие силы действуют на брусок, равномерно скользящий по наклонной плоскости?; скользящий с ускорением?

9. Вывести расчетную формулу (6).

10. Вывести уравнение динамики поступательного движения с учетом трения при наличии дополнительной постоянной внешней силы, направленной вдоль плоскости вверх.

Библиографический список

1. Савельев, И. В. Курс общей физики в 3­х т. Т. 1 / И. В. Савельев. – М.: Наука, 1989. – § 15.

2. Хайкин, С. Э. Физические основы механики / С. Э. Хайкин. – М: Наука, 1971. – § 44–52.

3. Трофимова Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. – М: Высш. шк., 1990. – § 8.

Трение покоя, скольжения и качения. Коэффициент трения стали по стали

Каждый человек, который так или иначе связан с техникой, знает, что собой представляет сила трения. В нашей жизни она может играть как положительную, так и отрицательную роль. Данную статью посвятим вопросу определения коэффициента трения стали по стали.

Виды трения

До того как рассмотреть вопрос определения коэффициента трения стали по стали, следует ближе познакомиться с трением между твердыми телами. Рассмотрим подробнее:

• Если привести в соприкосновение два твердых тела, то для осуществления смещения их друг относительно друга потребуется приложить некоторую силу. Она должна быть больше трения покоя, которое движению препятствует.
• Как только тела начинают взаимное перемещение, их поверхности трутся друг о друга. Соответствующая сила, сопротивляющаяся движению, связана с трением скольжения.
• Третий вид — это трение качения. Исходя из названия видно, оно возникает, когда тела катятся друг по другу, например, колесо велосипеда по асфальту.

Все три вида трения действуют в области контакта твердых поверхностей. Соответствующие силы всегда стремятся замедлить любое движение.

Польза сил трения связана с тем, что они обеспечивают возможность самого движения и изменения его характеристик. Вред же, как правило, связан с энергетическими потерями во время перемещения и с износом трущихся материалов.

Работа сил трения покоя, скольжения и качения. Формулы и…

В специальном разделе физики — динамике, когда изучают движение тел, то рассматривают действующие…

Трение покоя и скольжения: коэффициент трения стали по стали

Пришло время рассмотреть формулы. Для расчета сил трения скольжения и покоя используют следующее выражение в физике:

F_t = µ * N

Здесь µ и N — коэффициент силы трения и реакция опоры, соответственно. Поясним это. Величина µ для рассматриваемых видов трения главным образом зависит от шероховатости контактирующих поверхностей. Чем больше микроскопических неровностей содержат поверхности, тем больше ее значение.

Оно также определяется трущимися материалами. В случае стальных поверхностей большой вклад в характеристику этого коэффициента вносят металлические связи между атомами железа. Это связано с плотным соприкосновением стальных листов. Этот факт объясняет, почему полировка металлической поверхности может не только не уменьшить, но даже увеличить величину µ.

Для большинства видов стали значение µ для трения скольжения лежит в пределах 0,12-0,15, а для трения покоя эти пределы составляют 0,15-0,16. Смазка поверхностей приводит к снижению показателя (до 0,1 и меньше).

Формула для определения силы трения качения имеет такую же форму, как для рассмотренных ранее видов. Запишем ее еще раз:

F_t = C_R*N

Коэффициент качения C_R зависит от твердости и упругих характеристик катящегося тела, а также от радиуса колеса (шарика, ролика).

Коэффициент трения стали по стали C_R важно учитывать при движении поезда. Его металлические колеса катятся по рельсам из такого же материала. Табличные данные говорят, что C_R для колес поезда лежит в пределах 0,0002-0,001.

Работа сил трения покоя, скольжения и качения. Формулы и…

В специальном разделе физики — динамике, когда изучают движение тел, то рассматривают действующие…

Отметим, что сталь — это достаточно твердый материал, поэтому величина упругой деформации во время качения для него невелика. Последнее обуславливает малые значения C_R. Приведенные табличные данные говорят о том, что сила трения качения стали по стали в 100 и более раз меньше, чем аналогичная сила при скольжении металлических пластин друг по другу.

Задача на определение коэффициента трения

Стальной брус массой 1 кг прикрепили к динамометру и начали равномерно тянуть по стальному горизонтальному листу. Необходимо определить коэффициент трения при таком скольжении, если динамометр при равномерном движении бруса показывал значение силы 1,2 ньютона.

Для определения величины µ воспользуемся выражением для силы F_t, имеем:

F_t = µ*N =>

µ = F_t/N

Поскольку эксперимент проводится на горизонтальной поверхности, то реакция опоры N будет равна весу бруска. В итоге получаем конечную формулу для µ:

µ = F_t/(m*g)

Осталось подставить данные и вычислить значение коэффициента скольжения стали по стали: µ = 0,12.

Трение: объяснение, обзор и примеры

Вы, наверное, уже слышали термин «трение». Это может вызвать образ скольжения по льду или выяснения того, как высоко вы можете наклонить свою папку, прежде чем карандаш скатится. Как оказалось, на самом деле это два разных типа трения: первое — кинетическое трение, а второе — статическое трение. В этой части мы узнаем о типах трения, роли коэффициента трения и о том, как использовать формулу силы трения.

Заинтересованы в лицензии школы Альберта?

Что мы рассматриваем

Что такое трение?

Трение — это то, с чем вы, вероятно, уже знакомы, и у вас может быть какое-то его рабочее определение. В физике трение определяется как контактная сила, противодействующая движению. Контактная сила — это сила, которая требует соприкосновения объектов. Сопротивление движению может означать одно из двух: предотвращение начала движения чего-либо или замедление чего-либо, если оно уже движется. Это два отдельных типа трения.

Статическое и кинетическое трение

Статическое трение — это тип трения, который препятствует движению объекта. Кинетическое трение — это тип трения, который замедляет уже движущийся объект. Разница между статическим и кинетическим трением заключается в том, что кинетическое трение возникает, когда что-то скользит. Вероятно, вы можете вспомнить несколько разных примеров из своей жизни, связанных с этими различными типами трений, — возможно, вы даже начинаете понимать, насколько они важны. Без трения вы не сможете удержать телефон, малейшее прикосновение отправит любой предмет, скользящий по столу, на пол, и вы даже не сможете ходить.

Исследовать трение на Альберте

Коэффициент трения

Теперь у нас есть рабочее определение для двух типов трения, и мы немного знаем, когда их применять. Но есть еще две вещи, которые нам нужно знать, прежде чем мы сможем начать вычислять силы трения. Нам нужно знать, что такое коэффициент трения, и нам нужно точно знать, когда использовать каждый тип трения.

Что такое коэффициент трения?

Коэффициент трения — это константа, которая помогает нам понять величину силы трения, которую прикладывают две поверхности при движении или попытке пересечь друг друга. Обычно это некоторое значение между нулем и единицей (хотя в крайних случаях оно может быть и выше), которое, по сути, говорит нам, насколько велика будет сила трения по сравнению с нормальной силой. Более высокие коэффициенты трения соответствуют более высоким силам трения. Коэффициент трения изменяется в каждой ситуации и при каждом типе трения. В зависимости от ситуации, в которой вы находитесь, вы будете рассматривать коэффициент статического трения или коэффициент кинетического трения.

Это может показаться странным и запутанным, но у вас тоже есть некоторый опыт в этом. Например, многие люди хранят чехлы на своих телефонах, потому что стеклянная подложка смартфонов имеет более низкий коэффициент статического трения, чем резиновый чехол. Так телефон легче выскользнет из руки, чем чехол. Если вы когда-нибудь пробовали передвигать большой предмет мебели по полу, то, вероятно, у вас есть некоторый опыт в том, зачем нужны оба коэффициента. Вы когда-нибудь замечали, что обычно легче заставить что-то двигаться, чем заставить этот же объект двигаться? Это связано с тем, что коэффициент статического трения (сила, удерживающая объект на месте) обычно выше, чем коэффициент кинетического трения (сила, действующая на движущийся объект).

Таблица общих коэффициентов трения

Позже мы более подробно рассмотрим, как найти коэффициент трения. А пока вот несколько общих примеров как коэффициента статического трения, так и коэффициента кинетического трения, а также то, как эти два значения имеют тенденцию различаться.

Система трения	Коэффициент статического трения	Коэффициент кинетического трения
Резина на сухом бетоне	1,0	0,7
Резина на влажном бетоне	0,7	0,5
металлы на дереве
метал.	0,7
Обувь на льду	0,1	0,03

Когда использовать статическое трение против кинетического трения. Обычно мы используем статическое трение, когда что-то неподвижно, и кинетическую энергию, когда что-то движется. Однако вы не можете думать просто о чем-то движущемся, потому что если объект катится по поверхности, то никакая отдельная часть этого объекта не скользит по земле. Если объект скользит, мы имеем дело с кинетическим трением. Вы можете подумать, что это небольшая разница, но представьте, если бы вы использовали неправильный коэффициент при проектировании частей автомобиля. В такой ситуации, если ваши цифры будут правильными, это может предотвратить возникновение серьезных проблем. Итак, мы используем кинетическое трение, когда молекулы одного объекта будут скользить мимо молекул другого, и мы используем статическое трение в случаях, когда отдельные молекулы неподвижны друг относительно друга.

Заинтересованы в лицензии школы Альберта?

Формула силы трения

Как и все в физике, у нас есть уравнение, позволяющее вычислить силу трения в любой ситуации. Хотя существует два разных типа трения, вам действительно нужно запомнить только одно уравнение:

Формула трения F_{friction}= \mu F_{N}

Здесь F_{friction} просто сообщает нам, что сила, которую мы рассчитываем, является силой трения, \mu — коэффициент трения, а N — нормальная сила. Теперь вы можете задаться вопросом, если есть только одно уравнение, как вы узнаете, какой коэффициент трения использовать? Ответ заключается в том, что решение часто зависит от вас.

Как только вы определите, какой тип трения вы используете, вы можете добавить нижний индекс к коэффициенту трения, чтобы узнать, с каким из них вы работаете. Обычно коэффициент статического трения обозначается как \mu_{s}, а коэффициент кинетического трения обозначается как \mu_k. Теперь, когда мы знаем уравнение трения и как обозначить, с каким типом трения мы работаем, давайте приступим к решению некоторых задач.

Пример: как рассчитать силу трения

Тяжелый ящик толкают по заводскому полу. Нормальная сила, действующая на коробку, равна 50\text{ Н}, коэффициент кинетического трения равен 0,3, а коэффициент трения покоя равен 0,5. Чему равна сила трения о коробку?

Шаг 1: Определить тип трения Присутствует

Нам были даны коэффициенты для обоих типов трения, но нам нужен только один. В данном случае наш ящик толкается, что подразумевает скользящее движение. Итак, нам нужно будет использовать коэффициент кинетическое трение для этой задачи.

Шаг 2. Определите, что вы знаете

Теперь, когда мы знаем, с каким типом трения мы работаем, мы можем приступить к нашим обычным шагам по решению проблемы, извлекая соответствующую информацию из проблемы.

• F_{N}=50\text{ N}
• \mu_{k}=0,3

Шаг 3: определение цели

В этом случае мы ищем силу трения, поэтому цель может быть записана как:

• F_{f}=\text{?}

Шаг 4. Соберите инструменты

Чтобы решить эту задачу, нам понадобится только наше уравнение трения. Мы заменим коэффициент кинетического трения, чтобы уравнение соответствовало вопросу, на который мы пытаемся ответить.

• F_{f}=\mu_{k}F_{N}

Шаг 5. Соберите все вместе

F_{f}=\mu_{k}F_{N}

F_{f}=0,3 \cdot 50\text{ Н}

F_{f}=15\text{N}

Пример: Как рассчитать коэффициент трения

Та же коробка останавливается на том же заводском этаже. Нормальная сила, действующая на ящик, по-прежнему равна 50\text{ Н}, а сила трения на ящике теперь равна 25\text{ Н}. Каков коэффициент трения между коробкой и заводским полом?

Этап 1: Определение типа трения Присутствует

Вопрос остается открытым, поэтому мы можем искать коэффициент кинетического или статического трения. Поскольку наш ящик покоится, скользящего движения нет, и мы знаем, что будем искать коэффициент трения покоя .

Шаг 2. Определите, что вы знаете

В этом случае мы ищем коэффициент статического трения, поэтому цель может быть записана как:

• \mu_{s}=\text{?}

Шаг 4: Соберите инструменты

Чтобы решить эту задачу, нам понадобится только наше уравнение трения. Мы заменим коэффициент статического трения, чтобы уравнение соответствовало вопросу, на который мы пытаемся ответить.

• F_{f}=\mu_{s}F_{N}

На этот раз мы не будем искать силу трения, но на следующем шаге мы изменим это уравнение.

Шаг 5. Соберите все вместе

Начнем с изменения нашего уравнения для определения коэффициента статического трения.

F_{f}=\mu_{s}F_{N}

\mu_{s}=\dfrac{F_{f}}{F_{N}}

Теперь мы подставим наши числа и начнем решать.

\mu_{s}=\dfrac{25\text{N}}{50\text{N}}

\мк_{с}=0,5

Исследование приложений трения на Альберте

Обзор эксперимента: как найти коэффициент трения

Теперь, когда вы знаете немного больше о трении и о том, как его рассчитать, вам может быть интересно, как мы измеряем силы трения и откуда вообще берутся коэффициенты трения. Ответ, как и многие вещи в науке, — это эксперимент. Во время эксперимента в лаборатории трения у вас есть объект или объекты, массу которых вы знаете (что позволяет вам рассчитать нормальную силу, действующую на этот объект). Отсюда вы можете понять, как измерить силу, необходимую для приведения неподвижного объекта в движение (измерение статического трения) или для удержания объекта в движении с постоянной скоростью (измерение кинетического трения). Измерение вашей силы трения вместе с нормальной силой на вашем объекте позволяет вам построить график, подобный приведенному ниже.

График зависимости силы трения от нормальной силы

На приведенном выше графике показана зависимость силы трения от нормальной силы, которая показывает силу трения по оси Y и нормальную силу по оси X. Это график, который вы могли бы построить, выполняя лабораторную работу по коэффициенту трения. Действительно важной и интересной частью этого графика является наклон. Если у вас есть правильное программное обеспечение, оно автоматически создаст линию тренда и предоставит вам наклон этой линии, как здесь.

Нахождение коэффициента трения с уклоном

Если вы помните, как вычислять наклон, вы знаете, что это фактически изменение значения y, деленное на изменение значения x. Итак, наклон этой линии здесь равен:

\text{slope}=\dfrac{\text{изменение силы трения}}{\text{изменение нормальной силы}}

Если бы мы взглянули на наше уравнение для силы трения, оно было бы таким:

\text{коэффициент трения}=\dfrac{\text{сила трения}}{\text{нормальная сила}}

Хотя наклон линии смотрит на изменение сил, в любой момент времени эти два уравнения будут практически одинаковыми. Это становится еще более очевидным, если смотреть на вещи в формате пересечения наклона, как показано ниже.

y-value		slope	x-value
y	=	m	x
F_{friction}	=	\мю	F_{N}

Независимо от того, как вы это доказываете, наклон линии, созданной путем измерения силы трения на объекте относительно нормальной силы на этом объекте, эквивалентен коэффициенту трения между этими двумя материалами. Это верно для нахождения обоих типов трения.

Заинтересованы в лицензии школы Альберта?

Трение на наклонной плоскости

Теперь, когда у нас есть твердое представление о трении на плоской поверхности, давайте посмотрим на что-то, что движется или сидит на наклонной плоскости. Вы действительно можете провести эксперимент с этим прямо сейчас. Возьмите любой небольшой предмет (стикеры, ручку, ластик, ключи и т. д.) и что-то плоское, что вы можете поднять за один конец, чтобы создать наклонную плоскость (книга, блокнот, блокнот, телефон и т. д.). .). Теперь поместите меньший объект на плоскую поверхность и медленно поднимайте одну сторону плоской поверхности, чтобы создать наклонную плоскость со все большим и большим углом. Объект сразу начал соскальзывать? Возможно нет. Вы должны были достичь определенной высоты, прежде чем это произошло, но почему? Ответ на этот вопрос, конечно же, заключается в трении.

Диаграмма свободного тела с трением

Трение на наклонной плоскости работает так же, как трение на плоской поверхности с одним ключевым отличием. Угол наклонной плоскости повлияет на величину нормальной силы, которая, в свою очередь, повлияет на величину силы трения. Если вам нужна полная информация о том, как работают силы на наклонной плоскости, вы можете проверить здесь, но диаграмма ниже говорит нам все, что нам нужно знать прямо сейчас.

Угол наклона самолета эквивалентен углу между силой тяжести и нормальной силой. Значение этого заключается в том, что если наклон изменяется, то изменяется и этот угол, что приводит к изменению нормальной силы, а также силы трения. На приведенной выше диаграмме показана сила кинетического трения, но она работает одинаково для обоих типов трения.

Обычно для расчета нормальной силы используется уравнение F_{N}=mg. Однако в этом случае, поскольку у нас есть этот угол, нормальная сила будет F_{N}=mg\cos(\theta). Если вам не нравится тригонометрия и вы хотите просмотреть ее, это может быть хорошим ресурсом. Имея все это в виду, мы эффективно представляем уравнение для силы трения на наклонной плоскости как:

F_{f}=\mu F_{N}=\mu mg\cos{\theta}

Примечание: Могут быть случаи, когда вы хотите взять синус угла вместо косинуса угла. Мы будем придерживаться ситуаций, когда косинус угла будет работать всегда, но будьте готовы проанализировать проблемы, с которыми вы сталкиваетесь в классах, для которых угол будет работать лучше всего. 9{\circ} над горизонталью. Коэффициент кинетического трения между ящиком и плоскостью равен 0,2, а коэффициент трения покоя равен 0,7. Чему равна сила трения о коробку?

Шаг 1: Определить тип трения Присутствует

Нам были даны коэффициенты для обоих типов трения, но нам нужен только один. В этом случае наш ящик находится в состоянии покоя, поэтому движения нет. Итак, для этой задачи нам нужно использовать коэффициент трения покоя . 9{2}

Шаг 3. Определите цель

• F_{f}=\text{?}

Шаг 4. Соберите инструменты

Чтобы решить эту проблему, нам понадобится только эта проблема. наше уравнение трения на наклонной плоскости. Мы подставим коэффициент статического трения, чтобы уравнение соответствовало вопросу, на который мы пытаемся ответить.

• F_{f}=\mu_{s}mg\cos\theta

Шаг 5. Соберите все вместе

F_{f}=\mu_{s}mg\cos\theta 9{\circ} над горизонталью. Человек имеет массу 100\text{ кг} и испытывает силу трения 30\text{ Н}. Чему равен коэффициент кинетического трения между санями и снегом?

Этап 1: Определите тип трения. Присутствует

В этом случае нам сказали, что человек едет на санях со снежного холма, что подразумевает скользящее движение. Итак, для этой задачи мы будем искать коэффициент кинетического трения .

Шаг 2. Определите, что вы знаете 9{2}

Шаг 3. Определите цель

• \mu_{k}=\text{?}

Шаг 4. Соберите инструменты

Хотя сейчас мы ищем коэффициент кинетическое трение вместо силы кинетического трения, мы начнем с того же уравнения и изменим его на следующем шаге.

• F_{f}=\mu_{k}mg\cos\theta

Шаг 5. Соедините все вместе

Начнем с изменения уравнения для определения коэффициента кинетического трения: 9{\ круг})}

\mu_{k}=0,04

Изучение применения трения на Альберте

Заключение

Из этой статьи вы узнаете все, что вам нужно знать о трении, чтобы пройти любой курс физики в средней школе. Оба типа трения, статическое и кинетическое трение, формируют мир, в котором мы живем. В течение дня вы сможете найти бесчисленное количество примеров этой силы в своей жизни. Даже способность ходить или передвигаться в инвалидной коляске зависит от наличия трения. Эта сила будет продолжать проявляться в вашем физическом путешествии и возникнет, если вы решите продолжить какую-либо инженерную работу позже.

Exhaustive Insights and Facts — Lambda Geeks

Работа, совершаемая трением, представляет собой перемещение движущегося тела в направлении, противоположном направлению действия силы трения.

Сила, приложенная к телу, вызывает перемещение в его направлении. Третий закон Ньютона использует силу трения против движения тела в качестве силы противодействия. Таким образом, перемещение тела против силы трения называется работой трения.

Сила трения – это противодействующая контактная сила, создаваемая поверхностью для противодействия движению, когда два тела скользят друг по другу. Это  неконсервативная сила  , которая совершает работу силы, основанную на пути, вдоль которого действует сила . В зависимости от выбранного пути можно найти различную работу, совершаемую трением.

Предположим, вы толкаете стол через всю комнату, чтобы изменить его положение. Нижняя поверхность сначала сопротивляется столу за счет силы трения, поскольку она точно противодействует нашей приложенной силе толкания. Когда мы применяем большую силу толкания, которая преодолевает силу трения, стол начинает двигаться. Максимальная сила, при которой тело приходит в движение, а затем останавливается, определяется – соответственно статическим и кинетическим коэффициентами трения тела.

Когда два тела находятся в состоянии покоя, трение между их поверхностями называется « трением покоя ». Принимая во внимание, что когда два тела движутся относительно друг друга, трение между их поверхностями представляет собой « кинетическое трение» , также называемое « трением скольжения ». По определению смещение из-за статического трения равно нулю. Следовательно, работа выполняется только трением скольжения .

Работа за счет трения Работа за счет трения скольжения по столу
(фото: Shutterstock)

Узнайте больше о трении скольжения .

Совершаемая работа зависит от вида преобразования энергии тел при приложении силы. Это означает, что когда мы прикладываем силу к покоящемуся телу, происходит преобразование потенциальной энергии в кинетическую, что ускоряет тело, чтобы оно двигалось в направлении приложенной силы . Точно так же, когда поверхность оказывает трение скольжения на движущееся тело, его кинетическая энергия снова преобразуется в потенциальную энергию, которая замедляет движение.

Трение преобразует свою работу в тепловую энергию, так как мы чувствуем тепло на поверхности, когда тела скользят. Когда движущееся тело останавливается на горизонтальной поверхности, его кинетическая энергия становится равной нулю. Это означает, что трение о тело рассеивает его кинетическую энергию, которая оценивается как количество работы, совершаемой трением.

Узнайте больше о выполненных работах и ​​его единицах .

Как рассчитать работу трения?

Мы можем определить работу трения путем детального анализа силы трения.

Чтобы вычислить проделанную работу, во-первых, мы должны определить неконсервативную силу от поверхности, общую длину пути на поверхности или перемещение и, что более важно, угол между силой трения и перемещением.

Крайне важно определить силу, будь она консервативной или неконсервативной. Так мы поймем, что сила 9 изменит тело.0005  полная механическая энергия  (кинетическая + потенциальная), когда он выполняет какую-либо работу. Поскольку сила трения действует противоположно движущемуся телу, это неконсервативная сила, которая изменяет полную механическую энергию, включает преобразование кинетической энергии в потенциальную для сопротивления движению.

Преобразование энергии в результате трения (фото: Shutterstock)

Когда на тело действует результирующая сила, она изменяет кинетическую энергию.

Работа-Энергия Теорема  говорит, что работа, совершаемая над телом чистой силой, равна разнице между их кинетической энергией.  

Если тело получило энергию, его работа будет положительной . Если тело теряет энергию, его работа равна минус .

Сила трения — это единственная результирующая сила, действующая на горизонтальную поверхность, равная коэффициенту кинетического трения µk и нормальной силе N. 

Принимая во внимание, что нормальная сила, перпендикулярная горизонтальной поверхности, равна mgcosθ.

Следовательно, сила трения равна

F _fric = μ _k мг ……………. (*)

Работа, совершаемая по формуле трения

Работа, совершаемая по формуле трения, рассчитывается с использованием результирующих сил, а также теоремы о работе-энергии.

Нормальная сила и гравитационная сила, действующие перпендикулярно, компенсируют друг друга, поскольку они противоположны. Следовательно, сила горизонтального трения F _fric является единственной чистой силой, действующей на тело для выполнения работы.

Как рассчитать работу трения?

Рассчитаем чистую работу силы трения о движущийся ящик при перемещении d по горизонтальной траектории.

W _FRIC = F _FRI DCOSθ

Уравнение замены сил трения (*), мы получаем

W _FRIC = μ _K MG.DCOS = μ _K MG.DCOS . угол между перемещением и трением скольжения 180°; что дает cosθ = cos180° = -1.

Вт _фрик = – μ _k mg.d

Выше приведено уравнение работы, совершаемой трением.

Подробнее о Поверхностное ускорение без трения .

Всегда ли работа, совершаемая трением, отрицательна?

Работа, совершаемая трением, обычно отрицательна из-за угла 180 ° между трением и перемещением.

Когда мы прикладываем силу вдоль шероховатой поверхности, трение применяется в направлении, противоположном приложенной силе. Следовательно, угол между трением и смещением становится равным 180°, что уменьшает кинетическую энергию; и дает отрицательную работу силы трения.

Подробнее о Возможность преобразования кинетической энергии.

Работа трения при чистом качении

Работа трения без скольжения при чистом качении равна нулю.

Когда тело катится с другим телом, статическая сила действует перпендикулярно горизонтальной поверхности. Катящееся тело не претерпевает преобразования энергии, так как статическая сила не может произвести его перемещение. Следовательно, статическое трение при чистом качении не совершает никакой работы.

Работа трения при чистом качении

Сила трения является саморегулирующейся. Он сохраняет свое направление в соответствии с направлением приложенной силы, чтобы сопротивляться движению. При чистом качении нижняя часть тела на короткое время соприкасается с землей, поднимая тело вверх перпендикулярно направлению силы трения. т. е. статическое трение.

Чистая прокатка означает  меньше перемещений и больше прокатки.  Трение покоя совершает отрицательную работу при поступательном движении, которая замедляет поступательное движение, и столь же положительную работу, совершаемую при вращательном движении, что означает ускорение вращения. Вот почему чистая работа, совершаемая трением покоя, при чистом качении равна нулю. Следовательно, чтобы совершить какую-либо работу, тело должно катиться со скольжением.

Подробнее о Трение качения .

Работа, совершаемая трением, положительна или отрицательна?

Работа трения может быть только положительной, отрицательной в зависимости от выбора системы отсчета.

Поскольку приложенная сила и перемещение тела направлены в одну сторону; это увеличивает его энергию. Так что проделанная работа положительная. Но кинетическое трение и перемещение тела направлены в противоположную сторону; это уменьшает его энергию. Таким образом, выполненная работа отрицательна.

Работа, совершаемая трением, положительна или отрицательна?

Если тело скользит, сила трения, действующая на тело, будет трением скольжения, а угол между кинетическим трением и перемещением равен 180°, что приводит к отрицательной работе.

Работа трения может показаться положительной, если мы изменим систему отсчета, поскольку кинетическое трение может появиться в направлении движения тела. Скажем, на ковер ставят тяжелую коробку, и ее внезапно срывают. Даже коробка скользит назад, но движется вперед относительно системы отсчета. В этом случае работа трения положительна.

Подробнее о Относительное движение.

Как найти работу трения без коэффициента?

Работа, совершаемая трением без коэффициента, определяется путем проведения эксперимента с наклонной плоскостью.

Давайте сначала настроим наклонную рампу и отрегулируем ее угол наклона. Чем больше угол наклона, тем больше приложенная сила толкает объект на скате вниз. Когда мы увеличиваем приложенную силу, чем сила трения, мы можем найти максимальную силу трения и измерить перемещение объекта и работу, совершаемую трением, не зная ее коэффициента.

Настройка наклонной плоскости для определения работы, выполненной за счет трения без коэффициента
(фото: Shutterstock)

Мы можем сделать наклонную рампу, используя ряд книг и деревянных досок. Затем мы устанавливаем его угол наклона, укладывая ряд книг, чтобы изменить его максимальную высоту.